顶刊动态 | Nature子刊/ACS Nano等期刊生物材料学术进展汇总（5.6-5.12）

１、ACS Nano：自供能的电信号模拟装置促进间充质干细胞向神经细胞分化

图１　自供能装置的结构示意图

间充质干细胞（MSC）能分化成多种细胞，在适当的外部因素的影响下MSC可以分化为神经细胞，从而修复神经系统。

最近中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林等人制备了由导电聚合物聚（3,4-乙撑二氧噻吩）和还原氧化石墨烯组成的杂化纤维，将这种纤维放在培养液中，并且在自供能装置（电压依靠人走路产生）提供的脉冲电信号（电压300V，电流30μＡ）下，MSC被成功诱导分化为神经细胞。这种杂化纤维支架和可穿戴自供能装置在神经组织工程中很有发展前景。

文献链接：Self-Powered Electrical Stimulation for　Enhancing Neural　Differentiation　of　Mesenchymal Stem Cells on　Graphene−Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Hybrid　Microfibers

2、ACS Nano：自组装蛋白纤维的单向生长

图2 蛋白质纤维单向生长的示意图

蛋白质纳米纤维是一类具有独特性质的材料，在医学和食品工程上有广泛的应用。

最近荷兰瓦赫宁根大学的Lennart H. Beun等人利用随机光学重建显微镜（STORM）研究了一种三段蛋白质自组装的动力学和聚合机制。他们发现这种纤维是连续成核的，成核后纤维单向匀速生长，当溶液中的单体耗尽时纤维停止生长，再加入单体时纤维又可以沿着原来的生长方向继续生长，并且纤维中的蛋白质不能再溶解。这是首次在非天然蛋白中发现单向不可逆的纤维自组装现象，利用这个现象可以制备含有不同功能段的纤维从而实现多步的层次自组装。

文献链接：Unidirectional Living Growth of Self-Assembled Protein Nanofibrils Revealed by Super-resolution Microscopy

3、ACS Nano：表面电荷影响金纳米粒子在亚器官层次上的分布

图3 金纳米粒子的表面修饰原理

纳米粒子的表面化学性质对它们在生命体内的分布起决定性的作用，但是目前这方面的研究还非常少。

最近麻州大学的Sukru Gokhan Elci等人用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）研究了表面带有不同种类电荷的金纳米粒子（AuNPs）在小鼠肾、肝和脾中的分布。他们发现AuNPs表面的电荷不仅影响他们在不同器官中的含量，还影响他们在同一器官中的分布状态和在体内循环的周期。他们推测这是因为不同的AuNPs表面能吸附不同的蛋白质从而使免疫系统对它们做出不同的反应。该成果对纳米粒子在生物成像、药物运输和疾病治疗方面的应用有重要意义。

文献链接：Surface Charge Controls the Suborgan Biodistributions of Gold Nanoparticles

4、ACS Nano：用光纳米喷头阵列来捕获和探测纳米粒子

图4 光纳米喷头阵列的选择性吸附

用光学的方法来捕获和探测纳米尺寸的目标（如纳米颗粒、病毒、细胞等）在疾病诊断和生物传感等方面有重要应用。但目前使用的方法捕获能力不足并且灵敏度不高。

最近中山大学的Yuchao Li等人将聚苯乙烯（PS）球形纳米颗粒吸附在光纤末端形成二维的光纳米喷头阵列。这些PS颗粒可以将从纤维中发射出来的光汇聚在颗粒的顶端，顶端附近的光学强度梯度很大，当游离的纳米颗粒运动到这些颗粒的顶端时会同时受到光学梯度引力和光学散射斥力，只有尺寸在一定范围内的纳米粒子受到的引力大于斥力从而被吸附，因而它具有选择捕获的性质。吸附颗粒的数量不同时背反射光的强度也不一样，因此可以通过探测背散射光的强度来精确确定被吸附粒子的数量，另外还能通过将紫外光引进光纤来杀死被吸附的细菌。这种方法有望应用在单细胞检测、光学分类和生物传感等方面。

文献链接：Trapping and Detection of Nanoparticles and Cells Using a Parallel Photonic Nanojet Array

5、ACS Nano：利用纳米粒子表面增强拉曼散射技术对肝脏肿瘤细胞成像

图5 对携带肝癌细胞的小鼠注射造影剂后分别使用SERs和ICG方法检测肿瘤细胞与正常细胞

手术完全切除疗法是目前治疗恶性肝肿瘤最理想的方法。这需要外科医生对肿瘤边界和不可见的微小病变区域有更细微的了解。

近日，纽约史隆凯特琳癌症研究中心的Chrysafis Andreou等人将造影剂注入携带肝癌细胞的小鼠体内，对比了硅胶封装粒子（NPs）的表面增强拉曼散射技术（SERs）和荧光成像技术（ICG）在小鼠体内划定肝脏肿瘤的功效。他们发现SERs可清晰地呈现正常肝脏边缘形态，更精确的划定肿瘤边界；ICG则出现部分假阳性信号的区域。SERs技术可以更精确的检测到肝和脾的微观病变，可用来改进肝癌切除术。

文献链接：Imaging of Liver Tumors Using Surface-Enhanced Raman Scattering Nanoparticles

6、ACS Nano：定义序列合成具有可控功能的六边形阵列纳米带聚合物

图6 类肽物合成过程中的AFM图像及最终得到的层状类肽-1示意图

自然界中蛋白质和肽可以精巧自组装形成高度有序的功能性材料。虽然人工序列定义的聚合物可以模拟蛋白质和类肽物的功能，但表面组装仍是很大挑战。

最近，美国西北太平洋国家实验室的Chun-Long Chen等人在云母表面组装12单体类肽物。在钙离子羧化物的协调作用下类肽-类肽、类肽-云母之间产生相互作用。原子力显微镜（AFM）显示出类肽物先形成离散的纳米颗粒，再在云母表面转变为六边形阵列纳米带二维网络结构。通过改变芳香族的侧链来调节类肽-类肽和类肽-云母表面的相互作用，可实现在云母表面将类肽-1组装为层次结构。通过控制分层结构，可在组织功能领域生产功能化组织涂层。

文献链接：Surface-Directed Assembly of Sequence-Defined Synthetic Polymers into Networks of Hexagonally Patterned Nanoribbons with Controlled Functionalities

7、Nature Nanotechnology：在密闭环境中的酶促反应

图7 表面固定酶级联反应的例子

在每个生物细胞中，酶都控制着高度复杂的化学反应，而这些反应都是高效及时的。科学家们正试图将酶的这些诱人特性引入到体外系统中，并且已经取得了一些进展，如获得了化学反应中可催化分离和固定化的酶。

最近，科学家们在一定浓度的缓冲溶液中，并且在一定的组成和温度条件下，研究了水溶性酶的结构，稳定性以及催化性能。研究发现，当酶作为动态球形大分子时，能和底物结合和拥有一个完整的活性位点是酶发挥适当功能所必不可少的条件。

文献链接：Enzymatic reactions in confined environments

8、NPG Asia Materials : 聚羟基脂肪酸酯：为可持续发展的未来打开大门

图8 PHB/PEG/PPG嵌段共聚物的合成

聚羟基烷酸酯（PHAs）是由微生物合成的天然可生物降解的聚酯。然而，它们的一些缺点，譬如机械性能差，对热降解的敏感性等限制了其与传统合成碳化钛的竞争以及作为理想生物材料的应用。

最近，科学家们为了克服这些缺点，采用嵌段和接枝共聚的方法，将PHAs与天然原材料或者其他可生物降解的聚合物共聚。通过对其进行化学改性，可扩大其作为工程塑料的应用范围，并且使在不同领域中的生物意义也得到了解释。

文献链接：Polyhydroxyalkanoates: opening doors for a sustainable future

9、ACS Nano：在摺纸状DNA模板上高效排列金纳米粒子

图9 在六螺旋摺纸状DNA（6-HBs）上自组装金纳米粒子的示意图

在自组装生产功能性器件时，结构中每一个纳米颗粒的准确高效排列是至关重要的，单个颗粒的缺失将会破坏整个装置的功能。然而，研究人员对参数对多级装配工艺过程产率的影响还知之甚少。

近日，德国德累斯顿大学的Fatih N. Gür等人采用管状六螺旋摺纸状DNA（6-HBs）作为模板，与含八结合位点寡核苷酸官能化的金纳米颗粒（AuNPs）结合。通过两步处理法，包括DNA导向金属纳米颗粒组装，先使含有硫醇化单链寡核苷酸的AuNPs官能化，再使官能化的AuNPs与悬在摺纸状DNA上互补的单链发生杂化反应。通过优化盐效应、对寡核苷酸进行改性、改变杂化盐等参数，完成自了组装。该方案使粒子产率高达98.7％，可用来制备基于DNA的多粒子电浆子设备，并用于光电子、光电器件和纳米医药等领域。

文献链接：Toward Self-Assembled Plasmonic Devices: High-Yield Arrangement of Gold Nanoparticles on DNA Origami Templates

本文由材料人生物材料学习小组CZM供稿，材料牛编辑整理。

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